一种基于折半搜索的数字示波器直流精度自动校准方法

摘要

本发明公开了一种基于折半搜索的数字示波器直流精度自动校准方法，能够达到减少数字示波器的校准时间，提高校准精度的目的；具体为：用户设置前端调理电路的加法器的修正值、数字示波器的通道以及量程，校准误差限ε、校准目标模拟电压信号的电压幅度D

说明书

技术领域

本发明属于数字示波器领域，具体涉及一种基于折半搜索的数字示波器直 流精度自动校准方法。

背景技术

自1972年美国尼科莱特公司研制成功世界上首台数字示波器以来，经过 多年的发展，在各行各业有着非常广泛的应用。其工作原理是对于输入信号， 由时基电路控制，按一定时间间隔进行采样，再通过A/D转换器量化，对这 些瞬时值或采样值进行变换。由于每台数字示波器自身硬件电路特性的不同， 信号在通过示波器前端调理电路调理后将会引入幅度不确定的直流误差，这就 需要通过在前端调理电路中增加加法电路来修正直流误差。在所有的通道、量 程及输入阻抗确定的情况下获得加法器需要写入的修正值，是示波器直流精度 校准需要完成的工作。

然而在实际校准过程中，通常是由设计人员根据自身经验，通过逐步尝试 的方法来获取加法器的修正值，这样会耗费大量的人力和时间。由于A/D转 换器具有单调性特点，结合该单调性特点设计本发明所提供的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于折半搜索的数字示波器直流精度自动校 准方法，能够使得用户可以灵活配置校准参量，以达到提高数字示波器的校准 精度的目的。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于折半搜索的数字示波器直流精度自动校准方法，所述数字示波器 包括：前端调理电路、A/D变换电路、存储器、处理器、触发控制电路和时钟 控制与调理电路，其中，前端调理电路分别通过A/D变换电路、处理器与存储 器相连，触发控制电路分别连接处理器、时钟控制与调理电路，时钟控制与调 理电路连接A/D变换电路，处理器连接上位机。该方法针对数字示波器中的每 个通道执行如下校准方法：

S00、设置数字示波器中的待校准通道以及量程，从所述量程中选取一个 电压幅值作为待校准通道的目标模拟电压信号的电压幅度D_exp，同时，根据数 字示波器中前端调理电路内部的待校准通道的加法器类型，通过上位机设置加 法器的修正值的范围为[V_min，V_max]、校准误差限为ε。

S01、上位机通过处理器设置加法器使用修正值V_min，通过待校准通道输入 的数据发送给前端调理电路，前端调理电路中的加法器进行加法运算，所述前 端调理电路产生相应幅度的模拟电压信号并传送至A/D变换电路。同时，上 位机延时固定时间，即50ms～1s后，通过处理器控制触发控制电路产生触发信 号并传送至时钟控制与调理电路，时钟控制与调理电路产生采样时钟并发送至 A/D变换电路。

S02、A/D变换电路根据所述采样时钟，对所述模拟电压信号进行A/D变 换并产生数字电压信号，将该数字电压信号发送至存储器中，待1000个数据 存储完毕，停止采集。处理器从存储器中获取数字电压信号并通过数据总线传 输到上位机，上位机对所述数字电压信号进行D/A转换并取平均值，记为D_min。

S03、上位机通过处理器设置加法器使用修正值V_max，进行步骤S01～S02 的过程，在上位机中得到V_max对应的平均值D_max。

S04、上位机根据D_min、D_max、D_exp、ε，采用折半搜索的算法进行数据处 理并产生校准结果V_exp。

所述折半搜索的算法为：

1)上位机通过处理器设置加法器使用修正值V_avg，V_avg＝(V_min+V_max)/2，V_avg向下取整，并令加法器进行加法运算，数字示波器进行数据采集得到V_avg对应 的平均值D_avg并传送至上位机。

2)若|D_min-D_exp|＜ε，则校准值V_exp＝V_min，转至7)，否则转至3)。

3)若|D_max-D_exp|＜ε，则校准值V_exp＝V_max，转至7)，否则转至4)。

4)若(V_max-V_min)＝1，则将|D_min-D_exp|，|D_max-D_exp|进行比较，若 |D_max-D_exp|＜|D_min-D_exp|，则V_exp＝V_max；若|D_max-D_exp|＞|D_min-D_exp|，则V_exp＝V_min，转 至7)；若(V_max-V_min)不为1，则转至5)。

5)若(D_avg-D_exp)×(D_min-D_exp)＜0，则V_exp位于V_avg和V_min之间，此时令V_max＝V_avg， 跳转1)，否则跳转6)。

6)若(D_avg-D_exp)×(D_min-D_exp)＞0，则V_exp位于V_avg和V_max之间，此时令V_min＝V_avg， 跳转1)。

7)校准结束。

S05、上位机将校准结果V_exp通过处理器传送至存储器，并复位数字示波器。

S06、上位机再次被重启时，上位机从存储器中读取校准结果并将该校准 结果通过处理器写入至前端调理电路中的加法器，该校准结果作为加法器修正 值。

有益效果：

(1)本发明所提供的方法采用折半搜索的算法，根据用户设置的加法器 修正值，进行多次迭代，提高了数字示波器的校准精度，从而减少了人力成本， 提高了可生产性。

(2)本发明所提供的方法可以根据用户的不同需要，进行校准误差限和 目标模拟电压信号的电压幅度的设置，并结合存储器中的校准结果可以满足用 户不同的生产和调试需求。

附图说明

图1为本发明所使用的数字示波器的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

当用户使用数字示波器时，若数字示波器根据用户设置的参数产生的电压 信号与数字示波器所采集到的电压信号有出入时，需要对数字示波器进行校 准。本发明提供了一种基于折半搜索的数字示波器直流偏置自动校准方法。

图1本发明所使用的数字示波器的组成框图。该数字示波器包括：前端调 理电路、A/D变换电路、存储器、处理器、触发控制电路和时钟控制与调理电 路。各组成部件的连接关系为：前端调理电路分别通过A/D变换电路、处理 器与存储器相连，触发控制电路分别连接处理器、时钟控制与调理电路，时钟 控制与调理电路连接A/D变换电路，处理器连接上位机。

本发明所提供的方法的具体步骤为：

S00、用户可设置数字示波器的待校准通道，如通道1：CH1，并设置量 程为-5V～+5V：1V/div，设置目标模拟电压信号的电压幅度D_exp＝0。用户根据 前端调理电路内部的加法器的类型(如10位、12位)，通过上位机设置加法 器修正值的范围为[V_min，V_max]、校准误差限为ε。

S01、上位机通过处理器设置加法器使用修正值V_min，通过待校准通道输入 的数据发送给前端调理电路，前端调理电路中的加法器进行加法运算，前端调 理电路根据用户的设置产生-5V～+5V幅度范围内的模拟电压(电平)信号并传 送至A/D变换电路。同时，上位机延时固定时间(通常为500ms，此时前端调 理电路产生的模拟电压信号已经稳定)后，上位机通过处理器控制触发控制电 路产生触发信号并传送至时钟控制与调理电路，时钟控制与调理电路产生采样 时钟并发送至A/D变换电路。

S02、数字示波器开始进行采集：A/D变换电路根据所述采样时钟，对所 述模拟电压信号进行A/D变换，经A/D变换后产生数字电压信号并发送至存 储器中，待1000个数据存储完毕，停止采集。处理器从存储器中获取数字电 压信号并通过数据总线传输到上位机，上位机对所述数字电压信号进行转换并 取平均值，记为D_min。

S03、同样地，上位机通过处理器设置加法器使用修正值V_max，进行步骤 S01～S02的过程，在上位机中得到V_max对应的平均值为D_max。

S04、上位机根据D_min、D_max、D_exp、ε，采用折半搜索的算法进行数据处 理并产生校准结果V_exp。

所述折半搜索的算法为：

1)上位机通过处理器设置加法器使用修正值V_avg，V_avg＝(V_min+V_max)/2(向下 取整)，并令加法器进行加法运算，数字示波器进行数据采集并在上位机中得 到V_avg对应的平均值D_avg。

2)若|D_min-D_exp|＜ε，则校准值V_exp＝V_min，转至7)，否则转至3)。

3)若|D_max-D_exp|＜ε，则校准值V_exp＝V_max，转至7)，否则转至4)。

4)若(V_max-V_min)＝1，则将|D_min-D_exp|，|D_max-D_exp|进行比较，若 |D_max-D_exp|＜|D_min-D_exp|，则V_exp＝V_max。若|D_max-D_exp|＞|D_min-D_exp|，则V_exp＝V_min，转 至7)；若(V_max-V_min)不为1，则转至5)。

5)若(D_avg-D_exp)×(D_min-D_exp)＜0，则V_exp位于V_avg和V_min之间，此时令V_max＝V_avg， 跳转1)，否则跳转6)。

6)若(D_avg-D_exp)×(D_min-D_exp)＞0，则V_exp位于V_avg和V_max之间，此时令V_min＝V_avg， 跳转1)。

7)校准结束。

S05、上位机将校准结果V_exp通过处理器传送至存储器，并复位数字示波器。

S06、当上位机再次重启上位机时，上位机从存储器中读取校准结果并将 该校准结果通过处理器写入至前端调理电路中的加法器，该校准结果作为加法 器修正值，使得数字示波器的直流误差小于所述校准误差限ε，从而使得数字 示波器最终采集到的电压信号与用户所设置的电压信号保持一致，实现了对数 字示波器的校准。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。